CN116155139A - 一种双级多向振动能量俘获装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双级多向振动能量俘获装置及设计方法，包括底盘，底盘中心焊接着用于固定环形磁铁的磁铁固定架，若干数量的长悬臂梁和短悬臂梁等间距交替环绕在环形磁铁周围；在每根短悬臂梁的尾端焊接有与环形磁铁处于同一高度的尖端磁铁块，在长悬臂梁的底端有用于能量转换的压电片。本发明所述的多方向双级压电能量收集装置通过环形等距分布的8个悬臂梁和压电片收集各个方向的振动能量，依据环境激励频率设计出具有不同的固有频率的长悬臂梁和短悬臂梁，使得***的工作频带加宽。同时，环形磁铁和悬臂梁上的尖端磁铁块相互吸引，非线性磁力的引入，使得每一根梁具有更宽的工作频带，因此整个***的能量转化效率进一步提高。
Description
技术领域
本发明属于压电振动能量俘获技术领域，涉及一种高能量转化率的一种多方向双级压电能量收集装置及设计方法。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，微机电***(MEMS)、便携式智能穿戴设备和无线通信技术得到了快速的发展，无线传感器网络在民用、军事、医疗和工业生产中应用广泛。目前大部分的微型无线传感设备都采取利用化学电池提供能量的方式，化学电池需要定期维护或者更换，并且存在环境污染的问题，无法满足一些在特殊工作环境下的设备的供电需求。所以，研究开发可持续、绿色环保的新型电源来替代传统化学电池成为广泛关注的研究方向和热点。
自然环境中存在着非常丰富的能量，如振动能、风能、潮汐能、太阳能、温差能、水能、噪声、地热能、射频辐射能等。在这众多的能量中，太阳能具有较高的能量密度，并且具有简单的收集方式。但室内安装和背阴处安装的无线传感设备利用太阳能供电还面临诸多的困难。风能是一种低成本的清洁能源，但是风能的收集需要优越的地理条件支持，具有较大的局限性。振动能作为自然环境中最为广泛存在的能量，因为其能量密度大，分布广泛，不受天气影响的优点，得到了众多学者的关注。这种将环境中普遍存在的振动能量装换为电能可以给低功耗电子设备供电的技术称作振动能量收集技术。
振动能量俘获器近年来备受关注，是一种高效、清洁的能量采集技术。它是利用了压电材料的压电特性，可以将环境中的振动能量转化为电能，为无线传感器或是微功率元器件供能。现有的振动能量俘获器普遍存在着一些问题，比如工作频带窄、工作模态难以激发、振动能量收集方向单一的问题。只要环境中的振动频率稍微偏离了压电能量采集器的谐振频率或者振动的方向稍微偏离收集器结构设计的振动方向，能量采集的效率和输出功率就会大幅下降，因此设计出新型更加高效的多方向、宽频带压电振动能量采集装置依旧是一个热点话题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双级多向振动能量俘获装置，改进普通悬臂梁式能量收集装置的工作频带窄、难以激发、收集方向单一等问题。本装置采用二级悬臂梁环形阵列的结构，使得能量俘获器不仅能够有更宽的工作频带，而且有着多方向能量收集的效果，从而大幅提高收集装置的能量收集效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双级多向振动能量俘获装置，包括底盘，底盘中心焊接着用于固定环形磁铁的磁铁固定架，若干数量的长悬臂梁和短悬臂梁等间距交替环绕在环形磁铁周围；在每根短悬臂梁的尾端焊接有与环形磁铁处于同一高度的尖端磁铁块，在长悬臂梁的底端有用于能量转换的压电片。
本发明所述的多方向双级压电能量收集装置通过环形等距分布的8个悬臂梁和压电片收集各个方向的振动能量，依据环境激励频率设计出具有不同的固有频率的长悬臂梁和短悬臂梁，使得***的工作频带加宽。同时，环形磁铁和短悬臂梁上的尖端磁铁块相互吸引，非线性磁力的引入，使得每一根梁具有更宽的工作频带，因此整个***的能量转化效率进一步提高。
进一步的，所述的底盘和磁铁固定架的制造材料为铝或铜等金属材料。
进一步的，4根长悬臂梁和4根短悬臂梁等间距交替环绕焊接在环形永磁体四周，且材料为弹簧钢等弹性金属材料。
进一步的，所述的长悬臂梁和短悬臂梁具有类似的二级振动结构，其固有频率可设计为与外界振动激励频率一致。
进一步的，所述压电片采用的是聚偏氟乙烯。
进一步的，所述的环形磁铁和尖端磁铁块均为铷铁硼永磁体。
其原理是通过将8根悬臂梁上的振动转化为压电片上的电能，所述的电能通过收集电路收集。在工作过程中，长短悬臂梁的固有频率根据环境激励设计，使其分别对应依附结构的前两阶固有频率，使得能量收集效率大幅提高。长短悬臂梁等间距交替环绕在环形磁铁的四周，使得装置具有多个能量收集方向。长悬臂梁上的尖端磁铁块和环形磁铁之间的非线性磁力相互作用，使得悬臂梁的工作频带加宽。
和普通的悬臂梁式压电能量收集装置相比，本装置可以避免工作状态难以激励、收集方向单一、工作频带窄等问题，通过针对性设计梁的固有频率，可以最大化地实现在一定振动环境下的多方向振动能量收集。
上述一种双级多向振动能量俘获装置的主要结构设计步骤如下：
S1：确定能量俘获频率：分析振动能量俘获对象，确定能量俘获对象的振动能量集中频率f1和f2.
S2：单个二级压电能量俘获梁结构设计：
(1)建立双级悬臂梁结构参数标定：标定长悬臂梁长度为L1，短悬臂梁长度为L2，长悬臂梁等效质量为m1,短悬臂梁等效质量为m2,长悬臂梁的位移量为y1，短悬臂梁的位移量为y0，k1为主梁的刚度，k2为次梁的刚度，Fm表示尖端磁铁块3和环形磁铁2之间的磁力。
(2)电磁力计算：长悬臂梁和短悬臂梁都等效为集中质量弹簧***后，磁力Fm可以表示为：
其中y1为长悬臂梁5的位移量，y0为短悬臂梁的位移量，a、b为磁力参数。
(3)确定质量矩阵：双级悬臂梁的质量矩阵可以定义为：
(4)确定刚度矩阵：长悬臂梁和短悬臂梁的线性刚度分别用k1和k2表示，则集中模型的刚度矩阵表示为：
采用非连续性结构的刚度矩阵建模方式，双级悬臂梁刚度矩阵可变换为：
其中E为杨氏模量，β为主梁长度L1与次梁长度L2的比值，I1为主梁横截面内力矩，I2为次梁横截面内力矩，
(5)双级悬臂梁运动控制方程为：
α为机电耦合系数，CS表示压电片的钳位电容，V表示压电片电压。
(6)求解运动方程：通过对方程的解析，可以求得长悬臂梁长度、
短悬臂梁长度、质量块的质量块重量。
S3:计算能量俘获***电压。
***总电压为：
S4:能量俘获***长悬臂梁和短悬臂梁振动固有频率测试，校准结构固有频率，确保真能量俘获效率。
至此，多方位双层振动能量复活装置设计完毕。
本发明的优点是：
1.本发明应用前景大，振动能量无处不在，发展振动能量收集装置这种环境友好型技术是一个具有广阔应用前景的选择。
2.本发明中的二级式悬臂梁与普通的悬臂梁相比具有更低的固有频率，并且通过调节梁的长短、尖端磁铁块质量等，可以较为容易地设计出与环境激励相匹配的固有频率，进而提高了能量俘获效率。
3.本发明中的悬臂梁等间距环绕在环形磁铁周围，可以收集多个方向的振动能量，可以提高振动能量收集效率。
4.本发明中的悬臂梁尖端磁铁和环形磁铁之间的相互作用，使得悬臂梁上的工作频带得到了拓宽，可以更为容易地收集到振动能量。
5.本发明的结构紧凑、加工制作成本较低。相比于传统的化学电池供电，具有环保无污染的优点，并且可以满足MEMS供能装置小型化、集成化的结构要求
附图说明
图1为双级多向振动能量俘获装置的结构示意图。
图2为双级多向振动能量俘获装置的剖视图。
图3为双级多向振动能量俘获装置的俯视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构。附图标记含义为：1为磁铁固定架、2为环形磁铁、3为尖端磁铁块、4为长悬臂梁、5为短悬臂梁、6为压电片、7为底盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种双级多向振动能量俘获装置，包括包括底盘7，底盘7为圆形，且中心焊接着用于固定环形磁铁2的磁铁固定架1，4根长悬臂梁4和4根长悬臂梁5等间距交替环绕在环形磁铁2周围；
在每根短悬臂梁的尾端焊接有与环形磁铁2处于同一高度的尖端磁铁块3，在长悬臂梁5的底端有用于能量转换的压电片6。
本发明所述的多方向双级压电能量收集装置通过环形等距分布的8个悬臂梁和压电片6收集各个方向的振动能量，依据环境激励频率设计出具有不同的固有频率的长悬臂梁和短悬臂梁，使得***的工作频带加宽。同时，环形磁铁2和悬臂梁上的尖端磁铁块3排布为同极相吸安装，二者相互吸引，非线性磁力的引入，使得每一根梁具有更宽的工作频带，因此整个***的能量转化效率进一步提高。
从附图可以看出，4根长悬臂梁和4根短悬臂梁环绕等距分布在环形磁铁2周围，因此8根悬臂梁上的压电片可以收集各个方向的振动能量。为了保证最大化能量转换率，悬臂梁的安装需要保证其上的尖端磁铁块必须与位于中间的环形磁铁处于同一高度。此外，由于环境中结构的振动能量主要集中在其前两阶固有频率上，因此，可以将长悬臂梁和短悬臂梁的固有频率分别设计为和负载结构的前两阶固有频率相匹配，这样可以保证我们的能量收集器更容易被激励起来，从而获得更高的能量转化率。
本发明中，悬臂梁尖端磁铁块3和环形磁铁2之间的相互作用，可以使得悬臂梁上的工作频带得到了拓宽，可以更为容易地收集到低频振动能量，这就进一步拓宽了能量采集装置的能量转化率。
本发明是一种双级多向振动能量俘获装置，相比于传统的悬臂梁压电收集装置，具有收集方向多，结构紧凑，能量转换率高，结构更易被激振等优点，因而可以更加高效地收集环境中的振动能量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双级多向振动能量俘获装置，其特征在于，包括底盘(7)，底盘(7)中心焊接着用于固定环形磁铁(2)的磁铁固定架(1)，若干数量的长悬臂梁(4)和短悬臂梁(5)等间距交替环绕在环形磁铁(2)周围；
在每根短悬臂梁的尾端焊接有与环形磁铁(2)处于同一高度的尖端磁铁块(3)，在长悬臂梁(4)的底端有用于能量转换的压电片(6)。
2.根据权利要求1所述的一种双级多向振动能量俘获装置，其特征在于：所述长悬臂梁(4)和短悬臂梁(5)构成二级振动结构，每组长短轴可设置两个不同固有频率。
3.如权利要求1所述的一种双级多向振动能量俘获装置，其特征在于：所述的环形磁铁2和尖端磁铁3块均为铷铁硼永磁体，磁铁排布为同极相吸安装，放大二级振动结构振幅。
4.根据权利要求1所述的一种双级多向振动能量俘获装置，其特征在于：所述的底盘(7)和磁铁固定架(1)的制造材料为金属铝；长悬臂梁(4)和短悬臂梁(5)的材料为弹簧钢；所述压电片(6)采用的是聚偏氟乙烯。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种双级多向振动能量俘获装置的设计方法，其特征在于，设计步骤如下：
S1：确定能量俘获频率：分析振动能量俘获对象，确定能量俘获对象的振动能量集中频率f1和f2.
S2：单个二级压电能量俘获梁结构设计：
(1)建立双级悬臂梁结构参数标定：标定长悬臂梁长度为L1，短悬臂梁长度为L2，长悬臂梁等效质量为m1,短悬臂梁等效质量为m2,长悬臂梁的位移量为y1，短悬臂梁的位移量为y0，k1为主梁的刚度，k2为次梁的刚度，Fm表示尖端磁铁块3和环形磁铁2之间的磁力；
(2)电磁力计算：长悬臂梁和短悬臂梁都等效为集中质量弹簧***后，磁力Fm可以表示为：
其中y1为长悬臂梁的位移量，y0为短悬臂梁的位移量，a、b为磁力参数；
(3)确定质量矩阵：双级悬臂梁的质量矩阵可以定义为：
(4)确定刚度矩阵：长悬臂梁和短悬臂梁的线性刚度分别用k1和k2表示，则集中模型的刚度矩阵表示为：
采用非连续性结构的刚度矩阵建模方式，双级悬臂梁刚度矩阵可变换为：
其中E为杨氏模量，β为主梁长度L1与次梁长度L2的比值，I1为主梁横截面内力矩，I2为次梁横截面内力矩，
(5)双级悬臂梁运动控制方程为：
α为机电耦合系数，CS表示压电片的钳位电容，V表示压电片电压；
(6)求解运动方程：通过对方程的解析，可以求得长悬臂梁长度、短悬臂梁长度、质量块的质量块重量；
S3:计算能量俘获***电压；
***总电压为：
S4:能量俘获***长悬臂梁和短悬臂梁振动固有频率测试，校准结构固有频率，确保真能量俘获效率；
至此，多方位双层振动能量复活装置设计完毕。
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